黄河上游地区降水雨滴谱特征分析

韩辉邦，张博越，3*，马守存，2，田建兵，3，康晓燕，3

（1.青海省防灾减灾重点实验室，青海 西宁810001；2.青海省气象服务中心，青海 西宁810001；3.青海省人工影响天气办公室，青海 西宁810001）

雨滴是云微物理过程、动力学过程及其它综合因子相互作用的结果，雨滴谱含有丰富的降水微物理特征信息，是云及降水物理学中重要的研究对象[1-2]。深入了解降水云系形成降水的微物理过程，对评估人工增雨云水条件、检验作业效果以及雷达定量测量降水等有着重要的理论意义和实用价值[3-4]。

我国从20 世纪60 年代开始相关雨滴谱研究工作，传统的雨滴谱观测多用人工采样的试纸色斑法[5-8]，色斑法操作简单、成本低廉，但受人为因素影响较大。90 年代以后，随着科学技术的进步，人们开始利用光电、声电等降水测量仪器进行雨滴谱的观测研究。刘红燕等[9]利用声雨滴谱仪对北京地区降水云系进行了划分并分析了相应雨滴谱特征。陈宝君[10]、樊玲[11]、张云峰[12]、周毓荃[13]等分利用GBPP-100 地面光阵雨滴谱仪分别对沈阳、哈尔滨、河南地区不同类型降水云系的雨滴谱特征进行了拟合分析。近年来，随着光电子技术的发展，激光降水粒子谱仪被广泛应用于雨滴谱资料的观测中。胡子浩[14]等利用OTT-Parsivel 激光雨滴谱仪对我国海洋性对流云降水雨滴谱特征进行了分析。张昊[15]等利用激光雨滴谱仪对庐山地区不同海拔高度降水雨滴谱特征进行分析发现，庐山地区夏季对流性降水雨滴最大直径约为10 mm。徐文静[16]等利用激光雨滴谱仪对北京地区典型降水云系雨滴谱特征分析发现，对流性降水阶段的雨滴数浓度、最大直径均大于层状降水阶段。张祖熠[17]等分析新疆春季层状云和混合云降水的雨滴谱特征发现，春季降水的微物理参量普遍偏小，层状云降水的雨强、雨滴数浓度、雨滴的各类微物理特征参量的平均值均大于混合云降水。

黄河上游地区具有特殊地理位置和地形，是黄河流域的主要产流区和水源涵养区，素以黄河流域的“水塔”而著称[18]。针对黄河上游地区雨滴谱观测分析研究还相对较少，李娟[19]等利用滤纸法对黄河上游玛曲地区雨滴谱特征进行了初步分析。对于利用激光雨滴谱仪在黄河上游地区开展观测研究更是鲜有报道，本文利用OTT-Parsivel 激光雨滴谱仪资料，对该地区典型降水云系雨滴谱特征进行分析，以期对了解当地降水的雨滴谱特征及开展不同云系降水人工增雨作业提供技术支持。

1 资料与方法

Parsivel 激光雨滴谱仪由德国OTT 公司研制，是一种以激光为基础的高级光学粒子测量仪[20]，仪器通过降水粒子下降时对激光带的遮挡来计算和测量降水粒子的尺寸和速度，可实现对降水类型、降水粒子数密度、降水强度和累积降水量等实施监测。仪器可识别毛毛雨、小雨、雨、雨加雪、雪、米雪、冻雨及冰雹8 种降水类型，测量数据有32 个尺度通道和32 个速度通道，粒子尺度测量数据范围为0.2~25 mm，粒子速度测量范围为0.2~20 m/s[21]。

本文所用资料由OTT Parsivel 激光雨滴谱仪获取，仪器架设在位于九曲黄河第一弯的青海省河南蒙古族自治县（101°40′E，34°43′N），海拔高度3500 m，为高原大陆性气候，属高原亚寒带湿润气候区，年均气温在9.2~14.6 ℃，年降水量597.1~615.5 mm，是黄河上游地区重要的水源涵养地和产流区。观测时段为2017 年7 月1 日—8 月31 日。

首先对雨滴谱数据进行筛选，由于雨滴谱仪会受到雨滴重叠带来的影响，因此认为在观测中出现的直径大于6 mm 的雨滴是由重叠所造成的，对这些记录予以剔除。同时，剔除降水量＜1 mm 和降水时间＜30 min 资料，在观测时段内，共选取31 次降水过程。处理后的雨滴尺度范围分布在0.312~5.5 mm。雨滴谱观测的同时，收集了卫星云图、云和天气现象的观测资料，以确定降水云系类型。具体观测时段和降水云系如表1 所示。本文共收集到层状云系降水（S）6 次，对流云系降水（C）18 次，积层混合云系降水（SC）7 次。

雨滴在下落过程中多呈椭球形，雨滴谱仪发射的激光只能测量水平方向上的雨滴尺度，观测的雨滴直径为椭球形雨滴的长轴直径，可能造成测量值偏大。因此，采用Battaglia 等[22]的方法，对雨滴进行形变修正。公式如下：

表1 观测起止时间及降水云系

其中，D 为修正后的雨滴等效球形直径，Dpar为雨滴谱仪测得的雨滴直径。

在表征雨滴谱特征时，对雨滴各种直径值进行研究是非常有意义的。本项目计算了每次降水过程中雨滴的5 种直径，即平均直径Dm、均方根直径Dr、平均体积直径Dv、中数直径Dnd和中数体积直径Dn。各种直径的计算方法及意义详见文献12。

2 结果与讨论

2.1 不同云系降水雨滴粒子数密度

图1 为2017 年7—8 月黄河上游地区雨滴谱仪观测的31 次降水过程单位降水量雨滴的各种粒径数密度分布及三类降水云系雨滴数密度百分比，图中横坐标为粒子直径，纵坐标为单位降水量的平均雨滴粒子个数。如图所示，相同类型云系降水的分布曲线相似，变化趋势较为接近。层状云系降水的粒径分布曲线向峰值过渡较为急促，单位降水量的粒子个数最大。对流云系降水的粒径分布曲线较为平缓，单位降水量的粒子个数最小。混合云系降水粒径分布曲线居中，单位降水量的粒子个数处于层状云和对流云之间。

层状云系降水粒径峰值主要出现在0.4 mm 左右，粒径范围较窄，90%的粒子集中在0.3~0.9 mm，单位降水量的雨滴数密度最大。混合云系降水粒径峰值主要出现在0.7 mm 左右，90%的粒子集中在0.3~1.0 mm，粒径分布范围较层状云系降水宽，单位降水量的雨滴数密度明显小于层状云系降水。对流云系降水粒径峰值主要出现在0.8 mm 左右，粒径分布范围最宽，90%的粒子集中在0.3~1.4 mm，除个别降水过程外（如8 月21 日21：16—23：59 降水过程）单位降水量的雨滴数密度最小。这与周黎明等[23]、史晋森[24]的研究结果类似。层状云系降水和混合云系降水粒子多呈现单峰值分布，对流云系降水粒子多呈现双峰型分布，小粒子峰值出现在0.8 mm 左右，大粒子峰值出现在1.3 mm 左右。大雨滴是对流云降水的特征，对流越强，大雨滴越多。数密度的变化体现了云内雨滴增长方式，积云中云水碰并增长，产生了大量大直径雨滴，同时由于大雨滴的破碎，也产生了大量小雨滴。

2.2 不同云系降水微物理参量统计特征

2017 年7—8 月，黄河上游地区31 次降水过程雨滴微物理参量统计值及均值如表2 所示，Dm、Dr、Dv、Dnd、Dn分别为平均直径，均方根直径、平均体积直径、中值直径和体积中值直径。图2 为三类云系降水雨滴微物理参量均值特征，5 种雨滴微物理参量特征均呈现对流云系降水最大，层状云系降水最小，混合云系降水居中的特点。这与周黎明[25]、柳臣中等[26]的研究结果相似。此外，降水雨滴的体积与雷达回波强度有关，雨滴体积越大，反射面越大，回波强度越大，从平均体积直径可以看出，对流云系降水的雷达回波远大于层状云系降水。

图1 单位降水量雨滴粒径密度及数密度百分比分布

表2 3 类云系降水微物理量统计特征值

2.3 不同云系降水微物理参量的连续演变特征

雨滴谱微物理参量随时间的演变特征，可以反映云和降水形成机制的不同。通过研究不同类型云系降水的微物理参量演变规律，可以更好地了解不同云系降雨机制上的差别。本文选取了3 种类型降水中较为典型的个例：2017 年8 月22 日3：05—7：06 层状云系降水，8 月24 日11：38—14：36 对流云系降水和8 月21 日21：16—23：59 混合云系降水，对雨滴谱微物理参量随时间的演变特征进行分析。

图2 三类云系降水微物理参量均值特征

黄河上游地区，平均直径、均方根直径和平均体积直径均表现为：层状云系降水雨滴粒子平均直径最小，粒子直径范围处于0.4~1.1 mm；混合云系降水雨滴粒子平均直径略高于层状云系降水，粒子直径范围处于0.4~1.4 mm；对流云系降水雨滴粒子平均直径最大，粒子直径范围处于0.5~3.4 mm，对流云系降水最大粒子直径为层状云系降水的3 倍，是混合云系降水的2 倍（图3）。说明对流云系降水主要由粒径较大的雨滴来贡献，层状云系降水主要由粒径较小的雨滴来贡献；层状云系降水粒子起伏较大，对流云系降水粒子起伏较小。中值直径和体积中值直径与其他3 种粒子直径变化趋势不同，主要因为其与降水强度关系密切，而降水强度是由粒子直径和数浓度共同决定。

2.4 不同云系降水雨滴粒子数密度与降水强度的变化关系

层状云系降水雨强变化幅度较小，范围集中在0~3 mm/h，最大雨强2.6 mm/h，降水发生初期，雨滴数浓度不断升高，雨强增大（图4），但降水初期雨滴粒子直径呈下降趋势，表明初期降水主要由小粒子雨滴组成；降水中期，粒子数浓度急剧升高，雨强增加幅度不大，表明中期降水由更小粒子雨构成，小雨滴对降水的贡献率大；降水后期（200 min），粒子数浓度下降，雨强升高明显，说明后期降水主要由大粒子雨滴构成，对应降水后期雨滴粒子直径出现峰值。

图3 3 类云系降水微物理参量连续演变特征

图4 3 类云系降水强度与数浓度连续演变特征

混合云系降水雨强变化居中，降水初期粒子数浓度变化和雨强变化趋势相近，数浓度的增加导致雨强增加，同时，粒子直径也有所增加，表明降水初期，粒子直径逐渐变大，浓度增加，降水由大小粒子共同组成。20 min 后，雨强增加明显，粒子直径也大幅度增加，数浓度增加较小，表明降水主要由大粒子雨滴贡献。40 min 时，雨强和数浓度同时出现峰值，而粒子直径处于谷值，表明此时降水主要由小雨滴构成。100 min 时，雨强增大，粒子直径呈现峰值，数浓度却很小，说明此时降水主要由大雨滴构成。

对流云系降水雨强变化幅度较大，范围集中在0~11 mm/h，最大雨强高达10.9 mm/h，降水开始时，雨滴数浓度很小，雨强很大，表明初期降水主要由大粒子雨滴组成。40 min 后，雨强和粒子数浓度同时增加并出现峰值，表明大粒子数量减少而小粒子数量不断增加，70 min 后，雨滴数浓度依旧很高，降水强度逐渐减弱，表明降水主要由小粒子雨滴构成，降水结束前，在150 min 时雨强增加，但数浓度增加幅度较小，表明雨滴粒子直径有所增大。

混合云系和对流云系降水强度和雨滴粒子数浓度相关系较好，相关系数分别为0.809 3 和0.738 6，层状云系稍低，为0.516 5（图5）。3 类云系降水强度与雨滴平均直径和平均体积直径相关性均较差，表明雨滴平均直径和平均体积直径对降水强度的贡献率不大。3 类云系降水强度与雨滴中值直径和中值体积直径相关性均较好，混合云系和对流云系相关系数略高于层状云系，这与中值直径和中值体积直径的意义相关。

图5 3 类云系降水强度与微物理参量相关系数统计

3 结论

本文选取黄河上游地区2017 年7—8 月31 次降水过程激光雨滴谱仪观测数据，对黄河上游地区3 类不同云系降水（层状云系降水、混合云系降水、对流云系降水）的雨滴谱特征及降水微物理参量进行分析，结果如下：

（1）相同类型云系降水的雨滴粒径数密度分布曲线相似，变化趋势较为接近。层状云系降水的粒径分布曲线向峰值过渡较为急促，对流云系降水的粒径分布曲线较为平缓。层状云系降水粒径峰值主要出现在0.4 mm 左右，粒径范围较窄，单位降水量的雨滴数密度最大；混合云系降水粒径峰值主要出现在0.7 mm 左右，粒径分布范围较层状云系降水宽，单位降水量的雨滴数密度明显小于层状云系降水；对流云系降水粒径峰值主要出现在0.8 mm 左右，粒径分布范围最宽，峰值对应的粒径最大，单位降水量的雨滴数密度最小。层状云系降水和混合云系降水雨滴粒子多呈单峰型，对流云系降水雨滴粒子多呈双峰型，表明降水的不稳定性。

（2）按照降水云系不同分别对雨滴各微物理参量（平均直径、均方根直径、平均体积直径、中值直径和体积中值直径）进行比较，各值由大到小排序依次为对流云系降水、混合云系降水和层状云系降水。

（3）层状云系降水雨强变化幅度较小，对流云系降水雨强变化幅度较大，混合云系和对流云系降水强度和粒子数浓度相关性较好，相关系数达0.7 以上，层状云系稍低，相关系数仅为0.5。

本文分析了黄河上游地区3 类不同降水云系的雨滴谱特征，为该地区进一步分析降水微观特征提供了重要的理论依据。此外，由于黄河上游地区地形复杂，且降水雨滴谱时空变化较大，观测结果的分析具有局地性特点，不一定代表整个黄河上游地区，本文仅是对黄河上游地区雨滴谱特征的初步探讨，下一步还需要增加更多有效的观测点，得到更多加密的雨滴谱资料，进一步深入分析黄河上游地区雨滴谱的变化特性。同时，在今后的研究中，可结合降水过程中飞机探测资料，对比分析云中和地面的雨滴谱微物理特征。